MANUAL BGA
por PAKATNAMU
TECNOLOGIA BGA (BALL GRID ARRAY) INTRODUCCION A LA TECNOLOGIA BGA Un paquete BGA puede ser generalmente caracterizado por lo siguiente:
Es un paquete de selección de área, Utiliza todo o parte de la pisada del dispositivo para las interconexiones. Las interconexiones están hechas de pelotas (esferas) de una aleación de soldadura o a veces otros metales.
Mas específicamente, el paquete BGA tiene los siguientes requerimientos adicionales:
La longitud del cuerpo del componente (mayormente cuadrada) varia desde 7 a 50mm.
Puede tener más de 1000 pines, pero el rango hoy en día es de 50 a 500 comúnmente.
El pitch, la distancia entre los centros de dos esferas de soldadura, está generalmente entre 1.0 a 1.5mm.
En la siguiente figura se ilustra la diferencia entre un QFP y un paquete BGA, mostrando un QFP con 160 pines ultra finos y un pitch de 0.3mm comparado a un PBGA con 225 interconexiones de esferas de soldadura y un pitch de 1.5mm. De la figura es fácil entender la popularidad que este paquete BGA ha recibido entre las personas del negocio de ensamblaje. Note que hay 5 pines QFP por cada esfera soldada BGA.
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HISTORIA DE LA BGA
Motorola y Citizen desarrollaron juntamente el plastic BGA (PBGA) en 1989, así también, Motorola e IBM, siguieron un similar aprovechamiento con el ceramic BGA (CBGA).
El amplio uso de las BGAs se vio a mediados de los noventas a través de la Compag Computers y Motorola.
Desde la introducción de la OMPAC (Over Molded Pad Array Carrier), como fue llamado primero la PBGA, ha habido un número bastante grande de nuevas versiones o alteraciones de la BGA, entre ellas, la PBGA, la CBGA, TBGA (Tape BGA), o la SBGA (Súper BGA), también existe la Multichip Module – o MMC-BGAs, que son similares a las BGAs ordinarias, pero contienen dos o mas chips dentro de su empaque.
PBGA
El mas popular desde el punto de vista de costo es el paquete plástico, PBGA, claro está, solo representa un camino de los muchos posibles en las alternativas de paquetes BGA.
Una sección transversal de un PBGA de OMPAC es mostrada en la siguiente figura, retratando el sobre moldeado y el cable adherido al chip, fijando el sustrato de BT, el otro lado del cual es fijada las bolas de soldadura que son responsables de la final interconexión a la tarjeta del circuito impreso.
El sustrato está hecho en general de 0.25mm de grosor de vidrio laminado de epoxi de BT (bismaleimide - triazine) con 18µm de lamina de cobre. En adición, los agujeros térmales bajo el centro del paquete se usa para retirar el calor del dispositivo.
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TBGA
Otro interesante, pero aún no tan común tipo de paquete de BGA, es la cinta BGA (Tape BGA). Este tipo está basado en una película de polyimide flexible (cinta) con metalización de cobre sobre ambos lados. La soldadura de esferas de aleación de 10Sn90Pb de temperatura alta son usadas. Desde que uno de los lados de la película de PI sirve como plano a tierra, se ha conseguido un buen rendimiento eléctrico de bajo – ruido. La película PI tiene en general 50µm de espesor y el diámetro de las esferas de soldadura son generalmente 0.63mm para un paquete con pitch de 1.27mm. La parte trasera del chip puede ser puesta en contacto directo con un adhesivo térmicamente conductivo para proveer eficiente transporte de calor a la tapa de metal o heatsink. Esta construcción admite un grado mas elevado de disipación de potencia que facilita el uso de paquetes plásticos.
SBGA
Un enfoque similar, pero aún diferente puede ser encontrado en el paquete Súper BGA o SBGA el cual también da mejoras en el rendimiento eléctrico y térmico sobre los PBGAs usuales. De la misma manera que el TBGA, usa una placa de metal heatsink fija a la parte trasera del chip para proveer disipación de potencia también como una varilla y plano a tierra. A diferencia del TBGA, el chip está generalmente adherido con cables dentro del paquete SBGA.
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MOTORES PARA EL USO DE BGAs
Reemplazar los QFPs con BGAs no solamente quiere decir que cantidad de pines más alta o paquetes más pequeños pueden ser logrados, también que un rendimiento de proceso de fabricación considerablemente más alto puede ser alcanzado.
Hoy, los aspectos de fabricación parecen ser los motores mas importantes para la tecnología de BGA, aunque asuntos como el coste, la confiabilidad, y reelaboración e inspección llevarán la tecnología probablemente pronto más lejos.
Aunque una elección entre las tecnologías BGA y QFP parecen fáciles de un punto de vista de producción, las alternativas todavía tienen que ser consideradas y todos los asuntos pertinentes deben ser cuidadosamente direccionados.
En resumen, los motores pueden ser listadas (no por orden de importancia) como:
Ahorros en la área de la tarjeta del circuito impreso requerido por función.
Potencial para campos de ensamblaje más altos.
Aumento del rendimiento eléctrico.
Posibilidad de disipación de potencia mas alta en los dispositivos.
Costos de producción en conjunto más bajos.
Restricciones de confiabilidad en aplicaciones específicas.
VENTAJAS Y DESVENTAJAS SOBRE EL USO DE BGAS
Como consecuencia de la tecnología de empaquetamiento BGA, hay algunos asuntos que llegan automáticamente y tienen que ser identificado específicamente y revisado antes de que la tecnología sea adoptada completamente. Entre los profesionales de la tecnología, podemos resumir lo siguiente:
VENTAJAS
En general, los BGAs tienen mejores propiedades eléctricas que sus homólogos QFP.
Los BGAs son menos frágiles y más fáciles de manejar, ambos antes y durante el ensamblaje.
La operación de colocación es generalmente más fácil y más segura que para los finos pitch de los QFPs.
Un campo de ensamblaje mas grande es generalmente esperado usando BGAs.
El tamaño de paquete mas pequeño o la cantidad mas alta de I/Os admite un paso adicional en la miniaturización.
DESVENTAJAS
Hay problemas y gastos relacionados con el direccionamiento del PCB, especialmente para paquetes de matriz completa.
Los BGAs son más sensitivos al consumo de humedad.
La inspección de las uniones de soldadura son imposibles sin equipo de radiografía costoso.
La confiabilidad todavía no ha sido demostrada debido a muchos parámetros de diseño y ensamblaje que son cambiado todavía.
La reelaboración a nivel de tarjeta lo hace potencialmente más difícil.
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EQUIPOS E INSUMOS NECESARIOS PARA TRATAMIENTO DE BGA Los diferentes equipos y herramientas con las que se cuentan son las siguientes:
AUTOMATICO : SISTEMA DE REPARACIÓN IR 550 A: El sistema de reparación IR550A es el primer y único sistema del mundo con un sistema real de reparación de bucle cerrado para la temperatura de los componentes durante la refusión. El IR550A tiene un sensor infrarrojo sin contacto (IRS) para registrar de una forma precisa, no destructiva y reproducible la temperatura del componente y del PCB, para un control óptimo del proceso de soldadura durante la reparación. El IR550A ofrece al usuario profesional 1600W de calor para todas las aplicaciones, pequeñas y grandes, e incluye las de estaño sin plomo.
MANUAL :
EQUIPOS DE AIRE CALIENTE
Esta estación cuenta con un sistema automático de resoldado a través de aire caliente, se setean tiempos de resoldado, nivel de temperatura a la cual se desea trabajar, pudiendo llegar hasta los 800°F, también se puede variar la fuerza con la que sale el aire caliente de tal manera que se pueda trabajar mejor con componentes mas pequeños. Se utiliza principalmente para resoldar las BGAs.
CREMA FLUX (Flux en pasta) El flux es un elemento muy importante, ya sea en el proceso de retirar componentes, soldarlos o resoldarlos, ya que nos permite realizar una buena fusión entre los pines del componente y el estaño en la tarjeta; hay diferentes tipos de flux, pero para trabajar con BGAs se necesita flux especiales, ya que otros, al no poder ser limpiados, actuarían como dieléctricos entre las esferas de soldadura de la BGA originándose capacitancias y corrientes parásitas las cuales harían fallar al equipo e inclusive malograr las BGAs.
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El Flux Cream, es un flux especial que no necesita ser limpiado, ya que logra evaporarse casi en su totalidad, está disponible en diferentes cantidades. PART NUMBER DESCRIPTION OFMKANC32-005 No-Clean flux cream, EN 29454/1.1.3 C OFMKANC32-200 No-Clean flux cream, EN 29454/1.1.3 C
QUANTITIES 5 ml 200 ml
FLUX PEN (Flux liquido) El Flux Pen, es un flux que tampoco necesita ser limpiado como el Flux Cream, y es por ello que se puede utilizar para el tratamiento de BGAs. PART NUMBER DESCRIPTION QUANTITIES 4FMJF8001-PEN Flux-Pen with IF 8001flux, EN 29454/2.2.3 A 7 ml (F-SW 34/DIN 8511)
SOLDADURA LIBRE DE PLOMO En todas las discusiones acerca de la eliminación del plomo en productos electrónicos, la principal pregunta es cual será el reemplazo. El uso de las soldaduras Sn/Pb data desde hace 6000 años. Las soldaduras de Sn/Pb han sido el material de interconexión primario en la industria electrónica en los últimos 100 años. Uno de los más grandes éxitos de la industria ha sido, que para la tecnología de unión, el mismo material es usado de muy similares maneras para todas las aplicaciones. Los fabricantes que han iniciado programas para desarrollar procesos de ensamblaje con soldadura libre de plomo, han estado trabajando de manera independiente, y como resultado una variedad de aleaciones de soldadura ha sido desarrollada. El número de elementos que pueden sustituir al plomo en las soldaduras es limitado. Un número de metales con propiedades deseables están en fuentes limitadas (germanio Ge), o igual o más elevada toxicidad que el plomo mismo (antimonio y cadmio).
RESULTADOS EMITIDOS DE LA ELIMINACIÓN DE PLOMO EN LAS SOLDADURAS Los reportes emitidos que derivan de un cambio a ensamblaje con soldadura libre de plomo puede ser divido en varios grupos: Metalúrgica: la selección de un compatible terminal de plomo o una esfera de aleación de soldadura; Sensitividad de Temperatura: compatibilidad de los materiales de los paquetes existentes y la construcción con procesos de ensamblaje de tarjetas a temperaturas elevadas; Confiabilidad: evaluación de la confiabilidad de las uniones de soldadura del nuevo sistema de terminal soldadura/plomo. Costo: evaluación del costo de conversión del proceso de fabricación; Programa: manejando la conversión a procesos libre de plomo.
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PROCESOS DE RESOLDADO BGA En general, el proceso libre de plomo de reemplazo de componentes uBGA, necesita un perfil mas específico que en el proceso normal. El perfil de resoldado debe ajustarse a cada producto y a cada componente específicamente. Los componentes BGA, LGA, CSP y componentes vecinos serán dañados si la temperatura excede los 260°C. Por lo general la soldadura Libre de Plomo tiene un punto de fundición de 217°C. No obstante esto, para poder obtener una soldadura aceptable en la juntura, es necesario entre 230°C y 240°C. Al mismo tiempo, el componente que está siendo resoldado así como los componentes vecinos a este, NO SE LES DEBE EXCEDER de los 260°C.
PROCESO – INSPECCIÓN VISUAL DE LA SOLDADURA •
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Las junturas de la soldadura libre de plomo no tienen el mismo aspecto brillante que las que contienen plomo. La superficie es generalmente granulada y esto no esun indicador de soldadura defectuosa sino que es la apariencia normal de éste tipo de soldadura. En la siguiente foto se pude notar la diferencia: el lado derecho del componente ha sido soldado con soldadura conteniendo plomo, mientras que del lado izquierdo ha sido soldado con soldadura libre de plomo. Note que la soldadura libre de plomo tiene de 5 a 10 veces menos de absorción que la soldadura de plomo. Luego del proceso deberá ser inspeccionado con un microscopio de 10x como minimo.
El criterio de inspección del resoldado cambia drásticamente: Ahora se acepta “cobre expuesto”, juntas de soldadura opacas, licuidificación parcial, apariencia granulada, residuos amarillos y huecos en la soldadura.
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